על-מוליכים מבוססי-נחושת, והמשפחה החדשה המבוססת על ברזל, פועלים בטווח טמפרטורות רחב יותר מאשר מרבית העל-מוליכים היעילים רק בקרבת האפס המוחלט
“מאחר והממצאים החדשים דומים לאלו שגילינו במצב ההורה של על-מוליכים מבוססי-נחושת, הדבר מרמז כי ייתכן וזהו מאפיין משותף במנגנון כללי עבור על-מוליכות גבוהת-טמפרטורה בשני סוגי חומרים שונים לחלוטין אלו,” מסביר החוקר הראשי J.C. Séamus Davis, פרופסור למדעי הפיסיקה באוניברסיטת קורנל. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.
מפתחי תיאוריות רבים חזו כי חומרים מבוססי-ברזל יתנהגו בדומה לעל-מוליכים מתכתיים, כאשר אלקטרונים מזווגים בכדי להוליך חשמל ללא התנגדות מבלי להזדקק לסידור מיוחד של האטומים שבחומר. חומרים אלו מוליכים חשמל ללא כל התנגדות רק בטמפרטורות הקרובות מאוד לאפס המוחלט (מינוס 270 מעלות צלסיוס).
על-מוליכים קופראטיים, או מבוססי-נחושת, והמשפחה החדשה המבוססת על ברזל, פועלים בטווח טמפרטורות רחב יותר – עד מינוס 120 מעלות צלסיוס עבור משפחת הנחושת ועד מינוס 220 מעלות צלסיוס עבור משפחת הברזל, כך שהם שימושיים יותר עבור פעילות בקנה-מידה נרחב, ליישומים מעשיים יותר כמוליכי-חשמל חסרי התנגדות.
קופראטים הינם תחמוצות נחושת המכילות “זיהומים” של מגוון אטומים אחרים. על-מוליכים מבוססי-ברזל – שהודגמו לראשונה רק בשנת 2008 – הינן תרכובות “מזוהמות” של ברזל וארסן. בדרך כלשהי, הזיהום מעוות את המבנה הגבישי של החומר באופן כזה שמאפשר לאלקטרונים לנוע מבלי כל התנגדות. הבנת מנגנון זה תוכל לפתוח צוהר לפיתוח על-מוליכים בטמפרטורות גבוהות יותר, ובאופן המיטבי, בטמפרטורת החדר.
המדענים השתמשו במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) מיוחד שבו גלאי זעיר נע ע”ג משטח במרווחים שקטנים מקוטרו של אטום יחיד. ע”י שינוי מכוון של הזרם השורר בין הגלאי למשטח, ניתן למדוד באמצעות המכשיר את רמות האנרגיה השונות של האלקטרונים בחומר ולקבל ע”י כך את תמונת הפיזור של האלקטרונים בו.
החוקרים בחנו דגימות של תרכובות סידן, ברזל, קובלט וארסן שהופכות לעל-מוליכים כאשר כמות הקובלט שבהן גדלה. כאשר הם בחנו את החומר המיוחד, הם קיבלו תוצאות בלתי-צפויות לחלוטין. הם גילו מערך ננומטרי ונייח של אלקטרונים המשתרעים במרחק של פי כשמונה גדול יותר בין אטומי הברזל הפרטניים, שכולם ערוכים סביב ציר אחד של הגביש, בהזכירם את דרך ההתארגנות של פרודות פרטניות בגביש נוזלי.
גבישים נוזליים, המשמשים בצגים אלקטרוניים, הינם סוג של מצב ביניים בין נוזל למוצק, שבו הפרודות ערוכות בטורים מקבילים, ובחומרים אלו ניתן לשלוט במידת האור העובר דרכם וכיווניותו. בגבישים מוצקים המרכיבים חומרים כגון על-מוליכים בטמפרטורה גבוהה, האלקטרונים אינם מתוחמים לאטומים פרטניים, אלא מתנהגים כעין נוזל, וכאן, אומר החוקר הראשי, נראה כי האלקטרונים קיימים במצב המקביל לגביש נוזלי. “אתה לא יכול להשתמש בפיסיקה רגילה של המצב המעובה בכדי להבין חומרים מורכבים שכאלו,” מציין החוקר הראשי.
בנוסף, החוקרים גילו כי האלקטרונים החופשיים נעים בתוככי החומר בכיוון שמקביל לכיוון האלקטרונים הקיימים בגבישים נוזליים. תוצאה זו מצביעה על כך שהאלקטרונים הנושאים את הזרם שונים מאלו הקיימים בגבישים נוזליים.
הצעד הבא במחקר יהיה לבחון כיצד תנאים אלו משפיעים על מוליכות החומר כאשר הוא מתחיל להפוך לעל-מוליך. הממצאים דומים באופן מפתיע לאלו שהחוקרים חשפו בקופראטים. “אם נוכל להקביל את הממצאים שלנו שהתקבלו עבור על-המוליכים מבוססי הברזל לאלו הקיימים בעל-מוליכים מבוססי הנחושת, הדבר יוכל לסייע לנו להבין את המנגנון הכללי השולט בעל-מוליכות בטמפרטורה גבוהה עבור כל החומרים מסוג זה. הבנה זו תוכל, בעקבות כך, לסייע לנו לפתח חומרים חדשים בעלי תכונות על-מוליכות משופרות עבור יישומיי אנרגיה,” אומר החוקר הראשי.
